編者按
鐵死亡，是一種由高度不飽和磷脂的過氧化修飾的過量聚集引起的細胞應激性死亡途徑。當這種被氧化破壞的脂質達到致死水平，就會引發細胞不可逆死亡。近年來，隨著基因編輯、AI技術等的不斷發展，斑馬魚在鐵死亡研究中的應用越來越廣泛。通過構建斑馬魚模型，不僅可以揭示鐵死亡的分子機制和調控路徑，為癌癥、心血管、視力等相關疾病的預防和治療提供新的思路和方法，也為高通量藥物篩選、中藥藥效物質、新污染物研究提供了有力的工具。
本期我們分享近期發表的幾篇基于斑馬魚模型開展鐵死亡研究的最新成果~~~
01、利用斑馬魚揭示WIPI4缺失導致自噬非依賴性鐵死亡
文章題目
Loss of WIPI4 in neurodegeneration causes autophagy-independent ferroptosis
雜志：Nature Cell Biology（IF=21.3）
發表時間：2024年3月7日
作者：David C. Rubinsztein，Ye Zhu, Motoki Fujimaki等
單位：劍橋大學分子神經遺傳學系，英國癡呆癥研究所，劍橋醫學研究所等
文章主題：
β-螺旋槳蛋白相關神經退行性變（BPAN）是一種罕見的x-連鎖顯性遺傳疾病，常表現為神經退行性變和腦鐵積累等。編碼WIPI4的WD重復結構域45（WDR45）基因突變會導致BPAN功能喪失，但這些突變如何觸發病理過程的細胞機制尚不清楚。鑒于WIPI4參與自噬這一降解途徑，因此，一些文獻認為BPAN僅僅是自噬缺陷的結果。
本研究表明，在細胞培養和斑馬魚模型中，WIPI4缺失都會通過一種不依賴于自噬的機制導致一種由脂質過氧化誘導的細胞死亡——鐵死亡。WIPI4缺失會增加ATG2A在內質網-線粒體接觸位點的定位，從而增強磷脂酰絲氨酸進入線粒體。這導致一種容易過氧化的主要脂質——磷脂酰乙醇胺的線粒體合成增加，從而引發鐵死亡。這一機制與經典的鐵垂病刺激幾乎沒有重疊，但為了解BPAN中神經退行性變的原因提供了新見解，并可能為治療策略提供線索。
圖1 WIPI4功能喪失導致斑馬魚鐵死亡
WIPI4突變會導致BPAN患者中該蛋白穩定性降低，使用靶向WDR45的siRNA來耗盡WIPI4，以模擬培養的癌細胞系中的疾病狀況。研究人員在Rho蛋白：EGFP（增強型綠色熒光蛋白基因）斑馬魚中，注射靶向wdr45的CRISPR引導物被證實可以沉默wdr45的表達，并在受精后10天導致光感受器變性以及壽命縮短（圖1a)。
從5開始使用Fer-1處理d.p.f.到10d.p.f.挽救了wdr45靶向CRISPR的敲低導致的光感受器的丟失，但Fer-1沒有影響未注射魚的光感受器（圖1b，c）。注射wdr45靶向CRISPR的引導劑增加了5時幼蟲MDA的濃度d.p.f.與未注射的同胞相比（圖1d），因此，wdr45缺失導致斑馬魚鐵死亡和光感受器變性，并導致存活率降低。
WIPI2的功能喪失也參與自噬，但在SH-SY5Y細胞中不誘導細胞毒性（圖2a）。在ATG16L1缺失（圖2b）和Beclin1缺失以及ULK1/2抑制劑處理過的細胞中，下調WIPI4可誘導細胞毒性。WIPI4敲低與ATG16L1或ATG7/10敲低相結合，可將細胞活力降低到單獨下調WIPI4時的相似水平。與僅注射atg7引導物的魚相比，與針對關鍵自噬基因atg7和wdr45的CRISPR引導物共注射斑馬魚，降低了光感受器的活力（圖2c，d）。因此，WIPI4缺失誘導自噬。
圖2 WIPI4缺失誘導自噬
02、利用斑馬魚揭示bmp10在調節心臟鐵代謝中的關鍵作用
文章題目
bmp10 maintains cardiac function by regulating iron homeostasis
雜志：Journal of Genetics and Genomics (IF=6.6)
發表時間：2024年10月14日
作者：陳良標、胡瑞芹、李根芳等
單位：上海海洋大學等
文章主題：
心臟病是全球范圍內的首要致死原因，鐵穩態的調控對心臟功能至關重要，鐵代謝失衡會導致嚴重的心臟疾病。BMP10作為一種關鍵調節因子，在心臟發育中發揮重要作用。BMP10功能障礙可能與心血管疾病中的鐵穩態失調密切相關，鐵代謝調節有望作為治療與BMP10信號通路相關的肺動脈高壓(PAH)和遺傳性出血性毛細血管擴張癥(HHT)的潛在策略。然而，BMP10與鐵穩態之間具體的調控關系尚不清楚。
本研究利用斑馬魚模型揭示了bmp10在調節心臟鐵代謝和維持心臟功能中的關鍵作用，包括：bmp10缺乏導致鐵缺乏和貧血逐漸加重；鐵缺乏性貧血導致缺氧，從而在bmp10−/−突變體心臟中引發繼發性鐵死亡和炎癥；BMP10-Hepcidin軸似乎通過HIF/Hepcidin和IL6/STAT3/Hepcidin途徑介導，BMP10缺失后這兩條途徑的過度激活促進了心臟肥大和心力衰竭等，這些不僅深化了對心臟鐵代謝的認識，為理解鐵穩態與心臟疾病的發生發展提供了新視角，也為鐵代謝紊亂相關的心臟疾病治療提供了潛在靶點。
研究人員利用基因編輯技術，成功構建了bmp10缺失的斑馬魚突變體。結果顯示，bmp10−/−突變體幼魚血紅蛋白含量不足，且在8周齡時出現嚴重的形態缺陷，包括體型較小、鱗片突出、腹部水腫、皮膚出血及心臟肥大，同時伴隨顯著貧血。隨著表型的進一步惡化，bmp10−/−突變體斑馬魚的心臟經歷了從鐵缺乏到鐵超載的轉變，這種鐵超載引發了強烈的氧化應激，導致脂質過氧化和鐵死亡的發生。該研究發現，早期補鐵能夠有效恢復血紅蛋白生成，而使用鐵螯合劑能夠緩解后期心臟肥大的癥狀。進一步研究表明，斑馬魚bmp10缺失通過HIF1α/Hamp介導的低氧信號與IL6/p-STAT3/Hamp炎癥通路共同作用，影響鐵死亡，最終導致心臟肥大和功能損傷，加劇心臟病理變化。
圖1 bmp10缺失介導的心臟鐵代謝紊亂
03、低劑量MoS2通過鐵死亡誘發斑馬魚心臟毒性研究
文章題目
MoS2 Nanosheets at Low Doses Induced Cardiotoxicity in Developing Zebrafish via Ferroptosis: Influence of Lateral Size and Surface Modification
雜志：Environmental Science & Technology（IF=11.4）
發表時間：2024年11月26日
作者：鄒威、周啟星等
單位：河南師范大學、南開大學等
文章主題：
二硫化鉬（MoS2）納米片是當前備受矚目和極具應用價值的納米材料之一，因其廣泛應用而不可避免地會被釋放到水生環境中，因此，探究其對水生生物的潛在毒性作用至關重要。然而，有關毒性作用及機制研究還極少見報道，尤其是貼近環境相關條件下的低劑量暴露。
本研究探究了不同粒徑和表面修飾的單層二硫化鉬（MoS2）納米片暴露對斑馬魚胚胎-幼魚發育階段的負面影響，首次發現非致死劑量小粒徑單層MoS2暴露誘發斑馬魚幼魚明顯的心臟毒性，并基于轉錄組學、蛋白免疫印跡、熒光定量PCR闡釋了MoS2通過激活細胞鐵自噬和抑制鐵轉運蛋白活性誘發細胞鐵死亡，誘發下游心肌肥厚細胞通路上調，導致斑馬魚心臟形貌結構發育畸形和泵血功能異常的分子途徑。
研究發現，在較高濃度1mg/L、5mg/L下，MoS2納米片阻礙了幼魚的生長，但并未影響其心肌生成；在非致死劑量濃度0.5–100μg/L下，小尺寸MoS2納米片（187.2 nm）可通過胚胎絨毛膜孔、皮膚、鼻腔和鰓等多種途徑進入魚體并轉運至心臟，誘發斑馬魚幼魚明顯的心臟結構和功能異常；大尺寸納米片（1.638 μm）主要在暴露96小時后經口腔攝食-消化道富集在胃腸部位，無明顯的心臟富集和心臟毒性。
轉錄組學、生化分析和計算機模擬驗證表明，心臟組織內的小片徑MoS2通過誘發細胞過渡鐵自噬和抑制鐵轉運蛋白FPN-1活性促進Fe2+的胞內積累，同時引發GPX4表達下調和不飽和脂肪酸酯化增強，最終導致心臟出現明顯的鐵死亡和心肌細胞損傷。修飾后的納米片對膜鐵轉運蛋白的結構損傷和鐵死亡效應顯著減弱，顯著緩解對斑馬魚的心臟毒性。該研究有助于深入理解單層MoS2致毒機制及其毒性構-效關系，為過渡金屬硫化物納米材料的設計及環境應用提供了重要支撐。
圖1
04、基于斑馬魚揭示量子點通過抑制剪接體引起視網膜退行性損傷
文章題目
Quantum Dots-caused Retinal Degeneration in Zebrafish Regulated by Ferroptosis and Mitophagy in Retinal Pigment Epithelial Cells through Inhibiting Spliceosome
雜志：Advanced Science （IF=15.1）
發表時間：2024年10月17日
作者：何承勇、左正宏等
單位：廈門大學等
文章主題：
視網膜退行性病變是影響全球數百萬人的主要失明原因，其特征是視網膜的逐步損傷和細胞死亡。視網膜退行性病變通常由突變蛋白、缺氧、血管阻塞和光敏感性引起。最新的研究表明，環境污染物，如空氣顆粒物和工程納米顆粒，也可能導致視網膜退化損傷。量子點（QDs），作為一種半導體納米材料，在發光二極管、激光器、光探測器、光伏、顯示、生物成像和生物醫學等應用中極具潛力。然而，關于包括量子點在內的顆粒物對視網膜的影響常常被忽視。
本研究利用斑馬魚模型探究了量子點對眼睛發育的影響及其機制，首次發現了納米材料引起視網膜退行性病變及其潛在的健康風險。研究表明，量子點被視網膜外RPE細胞內吞后，通過抑制prpf8剪接因子，從而降低gpx4b剪接和成熟，引起RPE鐵死亡和線粒體自噬，進一步導致斑馬魚視網膜退行性損傷。本研究為顆粒物引起的視覺發育損傷的作用機制提供了新見解，也為未來納米顆粒的安全使用提供了科學指導。
圖1 QDs胚胎暴露導致斑馬魚視網膜變性
05、利用斑馬魚發現鐵死亡抑制劑可顯著挽救心肌損傷
文章題目
Use of Deep-Learning Assisted Assessment of Cardiac Parameters in Zebrafish to Discover Cyanidin Chloride as a Novel Keap1 Inhibitor Against Doxorubicin-Induced Cardiotoxicity
雜志：Advanced Science （IF=15.1）
發表時間：2023年9月8日
作者：劉昌通、王毅、趙璐、吳鴻智等
單位：浙江大學藥學院、浙江大學計算機科學與技術學院等
文章主題：
化療相關心肌毒性是當代癌癥治療中常見的臨床不良反應，并成為癌癥患者非癌因死亡的主要原因。阿霉素(doxorubicin, Dox)等蒽環類藥物是作為臨床常用腫瘤化療藥物之一，在白血病、乳腺癌等多種癌癥中都表現出良好的治療效果。但Dox可致心臟毒性，包括不可逆退行性心肌病和充血性心力衰竭等，嚴重限制了其臨床應用。因此，為Dox治療患者開發有效的心臟保護藥物具有重要臨床意義。
本研究開發了一種可自動定位斑馬魚胚胎心室并進行心功能多參數分析的深度學習算法，并首次實現了斑馬魚心衰模型中的AI輔助中藥藥效物質高內涵篩選。通過構建Dox誘導的斑馬魚心肌病（DIC）模型發現，Dox暴露后斑馬魚幼體心功能嚴重受損并伴有明顯心包水腫（圖1，A-B）。在比較多種細胞死亡抑制劑對斑馬魚DIC作用后，發現鐵死亡抑制劑可顯著挽救心肌損傷，提示鐵死亡在斑馬魚DIC發生中具有關鍵作用。
借助采集到的熒光標記斑馬魚心臟圖像數據，手動標注2000余張斑馬魚胚胎心室圖像，訓練開發計算機神經網絡ZVSegNet實現心室自動分割，獲取心臟收縮末期面積、舒張末期面積和長短軸等心功能關鍵參數。進一步通過接近300個斑馬魚心臟跳動視頻訓練，構建HRNet實現了心率的準確定量（圖1，C-D）。
圖1 斑馬魚DIC模型和深度學習算法
作為健康美麗產業CRO服務開拓者與引領者、斑馬魚生物技術的全球領導者，環特生物搭建了“斑馬魚、類器官、哺乳動物、人體”四位一體的綜合技術服務體系，開展健康美麗CRO服務、科研服務、智慧實驗室搭建三大業務。目前，環特已建立200多種斑馬魚模型及腦類器官、心臟類器官及各種腫瘤類器官培養平臺，歡迎有需要的讀者垂詢！